Vật liệu nhớ hình (Shape Memory Materials)

Nguyên lý hoạt động của SMMS dựa trên sự chuyển pha martensite-austenite.

• Pha Martensite: Ở nhiệt độ thấp, vật liệu tồn tại ở pha martensite, một cấu trúc tinh thể ít đối xứng và dễ biến dạng. Khi tác dụng lực, cấu trúc martensite bị biến dạng theo kiểu twinned martensite mà không phá vỡ liên kết nguyên tử, cho phép vật liệu bị uốn cong hoặc biến dạng đáng kể. Sự biến dạng này xảy ra do sự sắp xếp lại các twin martensite, chứ không phải do sự trượt của các mặt phẳng nguyên tử như trong biến dạng dẻo thông thường.
• Pha Austenite: Khi nhiệt độ tăng lên trên một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ chuyển pha), vật liệu chuyển sang pha austenite, một cấu trúc tinh thể đối xứng và ổn định hơn. Sự chuyển pha này làm cho vật liệu trở về hình dạng ban đầu đã được “ghi nhớ” trong cấu trúc austenite.

Quá trình này có thể được minh họa bằng sơ đồ sau:

Nhiệt độ thấp (dưới A_s)       Nhiệt độ cao (trên A_f)
Martensite (biến dạng) <-----> Austenite (hình dạng ban đầu)
      ^                         |
      |                         |
      | Tác dụng lực           | Gia nhiệt
      |                         |
      |                         v
     Twinned Martensite

Trong đó:

• $A_s$: Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha từ martensite sang austenite.
• $A_f$: Nhiệt độ kết thúc chuyển pha từ martensite sang austenite.
• $M_s$: Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha từ austenite sang martensite.
• $M_f$: Nhiệt độ kết thúc chuyển pha từ austenite sang martensite.

Việc làm nóng vật liệu từ pha martensite biến dạng lên trên $A_f$ sẽ khôi phục lại hình dạng austenite ban đầu. Ngược lại, làm nguội vật liệu từ pha austenite xuống dưới $M_f$ sẽ tạo ra pha martensite.

Phân loại

SMMS được phân loại dựa trên thành phần hóa học và cơ chế hoạt động:

• Hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloys – SMAs): Đây là loại SMMS phổ biến nhất, ví dụ như Nitinol (NiTi), đồng-nhôm-niken (Cu-Al-Ni), đồng-kẽm-nhôm (Cu-Zn-Al). SMAs có khả năng tạo ra lực lớn và độ chính xác cao trong quá trình khôi phục hình dạng.
• Polymer nhớ hình (Shape Memory Polymers – SMPs): Loại vật liệu này thường rẻ hơn SMAs và có biến dạng lớn hơn, nhưng nhiệt độ chuyển pha thường thấp hơn. SMPs có khả năng biến dạng lớn, nhẹ và tương thích sinh học tốt hơn SMAs, tuy nhiên chúng có lực khôi phục hình dạng yếu hơn.
• Gốm sứ nhớ hình (Shape Memory Ceramics – SMCs): Loại vật liệu này ít được sử dụng hơn do tính giòn và khó chế tạo. SMCs có khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tốt, nhưng chúng giòn và khó gia công.

Ứng dụng

SMMS có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau:

• Y sinh: Stent tim mạch, dụng cụ chỉnh nha, thiết bị phẫu thuật ít xâm lấn. Trong y sinh, SMAs được sử dụng rộng rãi cho stent tim mạch do khả năng tự nở khi được đưa vào vị trí.
• Hàng không vũ trụ: Cánh máy bay tự điều chỉnh, cơ cấu triển khai anten. SMAs được sử dụng để tạo ra các cánh máy bay có thể thay đổi hình dạng để tối ưu hóa hiệu suất bay.
• Robot: Cơ cấu chấp hành, cảm biến. SMPs và SMAs được sử dụng trong robot để tạo ra các cơ cấu chấp hành linh hoạt và cảm biến phản ứng với nhiệt độ.
• Đồ gia dụng: Vòi sen tự động điều chỉnh nhiệt độ, khung kính. SMAs được sử dụng trong vòi sen để tự động điều chỉnh nhiệt độ nước.
• Công nghiệp ô tô: Van điều nhiệt, bộ phận giảm xóc. SMAs được sử dụng trong van điều nhiệt của ô tô để điều chỉnh luồng chất làm mát động cơ.

Ưu điểm

• Khả năng khôi phục hình dạng lớn.
• Kích thước nhỏ gọn.
• Đơn giản trong thiết kế.

Nhược điểm

• Độ bền mỏi hạn chế. Tuổi thọ của SMMS có thể bị ảnh hưởng bởi số lần chuyển pha lặp lại.
• Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quá trình khôi phục hình dạng.
• Giá thành cao (đối với một số loại SMMS). Đặc biệt là SMAs có thể có giá thành cao hơn so với các vật liệu truyền thống.

Vật liệu nhớ hình: Tổng quan và triển vọng

Vật liệu nhớ hình là một loại vật liệu thông minh đầy tiềm năng với nhiều ứng dụng đa dạng. Sự phát triển của vật liệu này đang được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị nhỏ gọn, hiệu quả và thông minh trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu và phát triển đang tập trung vào việc cải thiện độ bền mỏi, giảm giá thành và mở rộng phạm vi ứng dụng của SMMS.

Lưu ý: Phần mà bạn lặp lại về định nghĩa và cơ chế hoạt động của SMMS đã được bỏ đi để tránh trùng lặp nội dung. Bạn đã có phần này ở đầu bài viết rồi.

• Otsuka, K., & Wayman, C. M. (1998). Shape memory materials. Cambridge university press.
• Lagoudas, D. C. (Ed.). (2008). Shape memory alloys. Springer.
• Liu, C., Qin, H., & Mather, P. T. (Eds.). (2007). Shape memory polymers and their composites. CRC press.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài nhiệt độ, còn yếu tố nào khác có thể kích hoạt hiệu ứng nhớ hình trong SMM?

Trả lời: Ngoài nhiệt độ, ứng suất cơ học cũng có thể kích hoạt hiệu ứng nhớ hình, đặc biệt là trong các hợp kim nhớ hình siêu đàn hồi (superelastic). Trong các vật liệu này, việc áp dụng và loại bỏ ứng suất có thể gây ra chuyển đổi martensite-austenite và dẫn đến sự thay đổi hình dạng. Hiện tượng này được gọi là siêu đàn hồi và khác với hiệu ứng nhớ hình do nhiệt kích hoạt.

Làm thế nào để “huấn luyện” một SMM để thể hiện hiệu ứng nhớ hình hai chiều?

Trả lời: Việc huấn luyện SMM cho hiệu ứng hai chiều thường liên quan đến việc áp dụng các chu kỳ nhiệt-cơ lặp lại. Điều này bao gồm việc biến dạng vật liệu ở nhiệt độ thấp (pha martensite), sau đó gia nhiệt để nó chuyển sang pha austenite và trở lại hình dạng ban đầu. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để tạo ra những thay đổi vi cấu trúc bên trong vật liệu, cho phép nó “ghi nhớ” cả hai hình dạng ở nhiệt độ cao và thấp. Các phương pháp huấn luyện cụ thể có thể khác nhau tùy thuộc vào loại SMM và hình dạng mong muốn.

Hạn chế chính của việc sử dụng SMA trong các ứng dụng y sinh là gì?

Trả lời: Mặc dù SMA có nhiều ưu điểm trong các ứng dụng y sinh, nhưng chúng cũng gặp một số hạn chế. Một trong những hạn chế chính là độ bền mỏi của chúng. SMA có thể bị mỏi và hỏng sau một số chu kỳ biến dạng nhất định, điều này có thể gây ra vấn đề cho các thiết bị cấy ghép lâu dài. Một hạn chế khác là tính tương hợp sinh học của một số SMA, có thể gây ra phản ứng bất lợi trong cơ thể. Cuối cùng, chi phí của một số SMA, chẳng hạn như Nitinol, có thể tương đối cao, điều này có thể hạn chế việc sử dụng chúng trong một số ứng dụng.

Sự khác biệt chính giữa SMP và SMA về mặt tính năng và ứng dụng là gì?

Trả lời: SMP và SMA đều thể hiện hiệu ứng nhớ hình, nhưng chúng khác nhau đáng kể về tính năng và ứng dụng. SMA thường có độ bền cơ học cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn và nhiệt độ chuyển đổi cao hơn so với SMP. Tuy nhiên, SMP nhẹ hơn, có biến dạng lớn hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Do đó, SMA thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao, chẳng hạn như trong y sinh và hàng không vũ trụ, trong khi SMP phù hợp hơn cho các ứng dụng như đóng gói thông minh, dệt may và robot mềm.

Tương lai của nghiên cứu SMM là gì?

Trả lời: Nghiên cứu về SMM đang được tiến hành tích cực trong nhiều lĩnh vực. Các hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn bao gồm việc phát triển các SMA mới với tính năng được cải thiện, chẳng hạn như độ bền mỏi và khả năng tương hợp sinh học tốt hơn. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc thiết kế và tổng hợp SMP mới với nhiệt độ chuyển đổi có thể điều chỉnh và thời gian phản hồi nhanh hơn. Hơn nữa, có sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc phát triển SMM composite, kết hợp các đặc tính của các loại SMM khác nhau hoặc các vật liệu khác để tạo ra vật liệu có chức năng mới. Cuối cùng, việc khám phá các ứng dụng mới cho SMM trong các lĩnh vực như năng lượng, điện tử và xây dựng là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển nhanh chóng.